Скачиваний:   2
Пользователь:   elenka
Добавлен:   24.10.2014
Размер:   101.0 КБ
СКАЧАТЬ

ГЛАВА 10    

Экологическая и эколого--медицинская характеристика литосферы

10.1. Общие представления

 

Литосфера - составная часть биосферы, представляющая собой твердую оболочку Земли. Почва - это поверхностный слой литосферы, сформированный под действием климата и живых организмов (растительных и животных) и возделываемый человеком.

Как указывалось выше, биосфера сформировалась более 4 млрд. лет назад. Составная ее часть, литосфера включает в себя  мантию, состоящую из геологических пластов, которые относительно подвижны  за счет энергии,  получаемой из недр Земли. Верхний почвенный слой непосредственно связан с  мантией. Основные элементы литосферы, особенно металлы, негомогенно распределены и находятся в различных химических формах. Эти компоненты окружающей среде  присутствуют в определенных, довольно низких  концентрациях. Иногда их концентрация  аномально повышена, что формирует месторождения полезных ископаемых, которые пригодны для разработки. Между тем, именно диффузное распределение металлов в литосфере, почве, растениях и животных имеет большее значение для функционирования биосферы. Металлы и другие элементы литосферы непрерывно мигрируют: в гидросферу, атмосферу и биоту.

            Понимание характера и способов распределения компонентов в литосфере – важная предпосылка для оценки риска, вызываемого избытком или недостатком различных  элементов в окружающей среде и, следовательно, той патологии человека, которую эти процесс могут вызывать. Важно различать вклад естественного и антропогенного дисбаланса в эти  процессы. Все это и будет предметом обсуждения в данной главе.

10.2. Химическая характеристика литосферы

            Существуют два механизма перераспределения элементов в литосфере: вертикальная (из недр наружу) и горизонтальная - миграция в поверхностном слое. Первый из них ведет к негомогенному распределению металлов в окружающей среде. При этом их концентрация в различных породах могут различаться на порядок и выше (табл.10.1). Одним из основных источников этого процесса является вулканическая деятельность. Так, например, в июне 1991 года произошло одно из самых мощных извержений  - вулкана Пинатубо. Только за два дня в окружающую среду было выброшено 10 млрд тонн магмы, 20 миллионов тонн диоксидов серы, что оказало влияние на глобальный климат в течение 3 лет. Помимо этого, из недр земли было выброшено 2 млн тонн цинка, 1 млн тонн меди и более 5 тыс. тонн кадмия. Миллионы тонн золы, содержащие почти все элементы периодической системы загрязнили тысячи квадратных километров поверхности почвы. Подобные вулканические извержения случались с периодичностью в несколько лет за всю геологическую историю. Не менее важную функцию играет вулканическая деятельность на дне Мирового океана, где по подсчету специалистов имеется около 3000 действующих вулканов.

Таблица 10.1.

Содержание некоторых элементов в материнских породах и   (части на миллион, ppm)

Элемент

Земная кора

Ультрабазиты

Базальт

Гранит

Сланец

Известняк

As

1,8

1

2

1,5

15

2,5

Cd

0,2

-

0,2

0,2

0,2

0,1

Co

25

150

50

1

20

4

Cr

100

2000

200

4

100

10

Cu

55

10

100

10

50

15

Pb

12,5

0,1

15

20

20

8

Se

0,05

-

0,05

0,05

0,6

0,08

U

2,7

0,001

0,6

4,8

4

2

W

1,5

0,5

1

2

2

0,5

Zn

70

50

100

40

100

25

Примечание: ультрабазиты – изверженные горные породы, бедные кремнекислотой и обогащенные магнием.

 

Второй процесс, который перераспределяет элементы, это выветривание. Физические процессы, связанные с этим явлением ведут к измельчению пород, что подготавливает их к  последующему постепенному растворению или переходу в аэрозольное состояние. И тот и другой процессы, при участии органической матрицы ведет к формированию почвенного слоя. Таким образом, выветривание является ключевым процессом в миграции элементов от материнских пород к другим составным частям окружающей среды.

            В окружающей нас среде присутствуют все известные элементы. Эссенциальными, т.е. необходимыми для процессов жизнедеятельности являются макроэлементы: кальций, хлор, магний, фосфор, калий, сера. К этой группе относится и часть микроэлементов, которые присутствуют в организме животных и человека в следовых концентрациях: хром, кобальт, медь, фтор, йод, железо, марганец, молибден, селен, цинк. Следующая группа – неэссенциальные элементы, т.е. компоненты не имеющие известных биологических функций. К ним относятся кадмий, мышьяк, ртуть, свинец.

            В отношении действия элементов на биоту значительную  роль играют их концентрационные зависимости в окружающей среде. Еще Парацельсом (1493--1541) были определены  основные принципы токсикологии: «Все вещества являются ядами. Нет ни одного соединения, которое не является им. Только доза определяет ядовитые или лекарственные свойства». Это соотношение наглядно демонстрирует следующий рисунок (рис.10.1). Как для необходимых, так и неэссенциальных элементов имеется оптимальное значение концентраций, которые соответствуют нормальному функционированию организма. Увеличение их концентрации связано с токсическим эффектов, которое может закончиться смертью. Снижение концентрации неэссенциальных компонентов не так фатально, как необходимых элементов, для которых уменьшенное поступление связано с возникновением дефицитного состояния, т.е. патологии (табл. 10.2).

 Таблица 10.2.

Заболевания, вызываемые дефицитом или избытком элементов

Элемент

Дефицит

Избыток

Железо

Анемия

Гемохроматоз

Медь

Анемия

Хроническое интоксикация медью

Цинк

Задержка полового развития

Диарея

Кобальт

Анемия

«Заболевание белой печени»

Сердечная недостаточность

Полицитемия

Магний

Дисфункция гонад

Атаксия

Хром

Нарушение обмена глюкозы

Нефрит

Селен

Некроз печени

Мышечная дистрофия

 

 

Биодоступность, миграция и токсичность элементов зависит не только от физических и химических свойств самого компонента, но и от факторов окружающей среды, с которыми он взаимодействует. Важнейший фактор – кислотность почвы (рН). Подвижность большинства из них с уменьшением рН возрастает, в то время как защелачивание уменьшает биодоступность.  Сильно влияет тип почвы. Так, например, почва с высоким содержанием органических компонентов (гумуса) оказывает на металлы хелатирующее (комплексообразующее) действие, что уменьшает их скорость миграции. Токсичность металлов  зависит от  атомного и ионного радиуса, буферной емкости, способности к химическим реакциям. Например, токсичность свинца и ртути больше выражена у их органических компонентов, чем у неорганических форм. Большое значение имеет степень окисления. Хром более токсичен при валентности, равной шести и меньше в трехвалентной форме. Некоторые из факторов внешней среды, которые влияют на биодоступность элементов перечислены в табл.10.3.

Таблица 10.3.

Факторы, влияющие на биодоступность металлов

рН

Окислительно--восстановительный (редокс) потенциал (Еh)

Органический углерод

Температура

Неорганические лиганды (F,Cl)

Сульфиды

Комплексообразователи (гумус, органические соединения)

Солевой состав среды

Метилирующие соединения

Способность к катионному или анионному обмену

Ионная сила среды

Жесткость воды

 

 

Следующим важным фактором в биодоступности является взаимодействие элементов. Иногда их воздействие друг на друга выглядит очень просто, как в случае калия и натрия. В других случаях имеют место многочисленные взаимосвязи на уровни коферментов, энзимов и др. (рис.10.2).

Медь входит в состав многих ферментов, которые участвуют в окислительно--восстановительных реакциях. Например, в состав Zn--Cu--зависимой супероксиддисмутазы.  Биологическое окисление происходит с участием цитохромов, других медь--содержащих ферментов. Поперечные сшивки в коллагене и эластине, обеспечивающие их прочность и эластичность происходят с участием лизилоксидазы, относящейся к группе Cu--содержащих ферментов.  Медь участвует в образовании сигнальных молекул нервной системы. Медь способствует включению железа в состав гемоглобина. Медь является компонентом, необходимым для функционирования иммунной системы человека.

Между медью, молибденом и серой имеется тесное взаимодействие. Сульфиды, образующиеся из сульфатов могут включать вместо атома кислорода отрицательно заряженный молибден, что ведет к образованию тиомолибдатов. Последние обладают высоким сродством к меди, связывание которой будет способствовать вычленению Cu из метаболизма и вести к дефициту в организме этого элемента. Описанный феномен используется в сельском хозяйстве некоторых скандинавских стран, почва которых характеризуется повышенным содержанием меди. Добавление в корм животных  молибдена в приводит к уменьшением пула меди в печени, что предотвращает у них хроническую интоксикацию медью.

            Другим примером могут являться взаимоотношения между фосфором, цинком и кадмием. Известно, что растения, выращенные в условиях избытка фосфатов характеризуются дефицитом цинка. Фосфаты – главный компонент удобрений. Напротив, повышенные количества цинка предотвращают поглощение растениями такого токсичного элемента, как кадмия. Поэтому, на почвах, характеризующихся повышенным содержанием кадмия необходимо строго контролировать количество вносимых фосфорных удобрений. Предотвращение их избытка будет способствовать накоплению цинка, что позволит получить экологически чистую продукцию.

Селен является абсолютным антагонистом мышьяка. Следовательно, для предотвращения токсических эффектов этого элемента необходимо заботиться о достаточном поступлении в организм селена.

10.3. Медицинская геология (геомедицина)

            Уже давно стало известно, что некоторые заболевания человека и животных можно связать с определенными географическими областями. В китайских медицинских рукописях, опубликованных 3000 лет до нашей эры имеются указания на подобные причины некоторых заболеваний домашнего скота. Гиппократ более чем 2400 лет назад приводил подобные примеры, связанные с патологией человека. В настоящее время обобщение подобных фактов дает новая отрасль экологии – медицинская геология.

            Медицинская геология или геомедицина – часть экологической медицины, рассматривающая влияние геологических факторов на здоровье человека и животных.

            Марко Поло (ок.1254--1324 гг.) один из первых привел примеры из области медицинской геологии. В 1271 г. он предпринял путешествие в Китай. В 1275 г. экспедиция достигла китайской области Кублай Кхан. Однако, через некоторое время лошади, вывезенные им из Европы, погибли. Им же были описаны симптомы заболевания животных, которые, как выяснили гораздо позже, были обусловлены высоким содержанием  в почве данной области селена, вызывающего хроническую интоксикацию  и гибель животных.

В начале XX в. новый тип заболеваний был  зарегистрирован в северо--востоке Китая.  Регистрировалась эта патология в области Кешань и позже получила название болезни Кешана (эндемическая кардиомиопатия). Связана с поражением сердечной мышцы и развитием сердечной недостаточности. В 1960 году было предположено, что заболевание имеет связь с окружающей средой, а 10 лет спустя эта гипотеза нашла свое подтверждение. Было обнаружено, что болезнь встречается в зонах, которые отличались низкой концентрацией селена в почве и грунтовых водах. Компенсация в организме дефицита селена полностью ликвидировало симптомы заболевания и оказывало профилактическое действие. 

Другим примером патологии, имеющей геомедицинское происхождение является болезнь Кашина--Бека, которая также была давно знакома китайским медикам (эндемический остеоартрит). Заболевание встречалось в Китае еще в 16 в. Впервые описал эту болезнь русский врач Н.И. Кашин  (1825--1872 гг.).  Начальными симптомами этой патологии являлись отеки и боли в суставах, атрофия мышц. В дальнейшем происходило утолщение проксимальных межфаланговых суставов кистей, локтевых и голеностопных суставов при полной сохранности функций или незначительном ограничении их. У больных с тяжелой степенью болезни отмечались заметная деформация многих суставов с развитием контрактур, поясничного лордоза и «утиной» походки вследствие поражения тазобедренных суставов, а также короткопалость и низкорослость.  Поражались, в основном,  дети 6--13 лет.    Болезнь Кашин--Бека встречалась исключительно среди сельских жителей, хотя имели место случаи заболеваний и среди другого населения, которые употребляли продукты питания из эндемических областей.  Количество заболевших не было точно известно, но приблизительно оценивалось цифрой 1--3 млн. Причиной патологии является низкое содержание селена в почве.

Почвы на территории Республики Беларусь также считаются эндемичными в отношении некоторых микроэлементов.

Основной этиологический фактор возникновения йоддефицитных состояний в нашей республике — недостаток йода в почвах, воде и, соответственно, продуктах питания, производимых на данной территории. С растительной пищей в организм человека поступает 58,3 % йода от общей ежесуточной потребности, с мясом — 33,3 %, с водой — 4,2 %; остальное количество йода поступает ингаляционным путем и через кожу. Содержание йода в окружающей среде зависит главным образом от типов почв и их способности удерживать и отдавать йод, от расположения над уровнем моря и отдаленности от морей и океанов: по мере удаления почва становится все менее обогащенной данным микроэлементом. В случае преобладания в рационе питания продуктов местного производства развивается дефицит йода разной степени выраженности.

В Беларуси 63,5 % территории представлено дерново--подзолистыми почвами, в которых йод содержится в недостаточном количестве, 14,7 % —торфяными (болотными), характеризующимися прочным связыванием йода с органическими остатками.

В формирование эндемического зоба значительный вклад вносит фактор дефицита в почвах Беларуси и, следовательно, продуктах питания других микроэлементов: селена, меди, цинка, железа, молибдена, магния, марганца, выступающих в роли кофакторов ряда ключевых ферментов обмена. В частности, селен является компонентом дейодиназ, участвующих в конверсии тироксина (Т4) в трийодтиронин (Т3) путем дейодирования наружного кольца Т4 в тканях и органах--мишенях, например, в печени, кишечнике, мозге, бурой жировой ткани, плаценте и др. Дефицит меди приводит к снижению активности цитохромоксидазы, церулоплазмина и йодиназы, активирующей присоединение йода к тирозину. Струмогенное действие дефицита кобальта реализуется через снижение активности йодпероксидазы щитовидной железы, в результате чего замедляются процессы биосинтеза тиреоидных гормонов.

            На планете известны регионы, которые отличаются естественным повышенным содержанием других элементов, в том числе токсичных. Примером этого является мышьяк. В воде колодцев Западной Бенгалии (Индия) содержание мышьяка достигает 2000 мкг/л (рекомендуемый ВОЗ уровень мышьяка в воде – 10 мкг/л). Местные жители использовали колодезную воду для орошения, что позволяло им получать до 3 урожаев риса в год. Минералом, содержащим мышьяк являлся железный пирит, который входил в состав грунта. В обычных условиях он в незначительной мере освобождал этот токсичный элемент в воду. Однако, интенсивное земледелие и орошение понизило уровень воды в колодцах. В этих условиях кислород воздуха стал выполнять роль окислителя, что привело к освобождению мышьяка из его сернистых соединений и он стал растворяться в воде колодцев. Следовательно, жители Бенгалии употребляли для питья, а также  использовали  для выращивания риса воду, содержание мышьяка в котором было  высоким. Пострадавшими оказались около 400000 человек. Всего в Индии потребляют воду с повышенным содержанием мышьяка около 30 млн. человек.

Существуют и другие регионы с повышенным, как в Индии содержанием мышьяка. Это Антофагаста в Чили, Кордоба в Аргентине, Обуаши в Гане, Лагунера в Мексике, Корнвелл в Великобритании, Тайвань, континентальная Монголия, США (рис.10.3).

            Существуют данные о том, что факторы окружающей среды могут вносить вклад в этиологию сахарного диабета первого типа  среди детей. Эта форма заболевания имеет  аутоиммунное происхождение и является инсулин--зависимой. Показано, что низкие уровни потребления цинка связаны с высоким риском возникновения этой патологии.

            Имеется немало доказательств того, что достаточное содержание основных макроэлементов в окружающей среде (кальция, магния) является фактором, снижающим частоту сердечно--сосудистой патологии. Магниевая недостаточность проявляется  у животных  в конвульсивном синдроме, так называемой гипомагниевой тетании. Эта патология встречается в весенний период, когда животные переводятся на пастбищное содержание и употребляют в пищу траву, обедненную магнием.

Как очевидно, состав естественной окружающей среды очень важен для нашего здоровья и распределение. Миграция  и взаимодействие элементов - очень тонкий вопрос. К большому сожалению, антропогенная деятельность нарушает естественный баланс и равновесие. Одна из самых серьезных экологических проблем - окисление почвы,  которая несет потенциальную угрозу для здоровья людей. В этом плане, проблема закисления почвы имеет под собой две проблемы:  прямой эффект из--за ингаляции кислых аэрозолей, образовавшихся с участием оксидов серы и азота и непрямой, связанный с увеличением поглощения некоторых токсичных металлов.

Как уже упоминалось, литосферные элементы освобождаются и перераспределяются в других частях биосферы за счет процессов выветривания. Это процесс может модифицироваться за счет попадания в почву оксидов серы и азота. За счет эффекта подкисления  металлы, находящиеся в верхнем слое почвы могут становиться более растворимыми, что увеличивает и подвижность и биодоступность для растений. К таким компонентам относятся: кальций, магний, марганец, алюминий, никель, цинк, кадмий и в меньшей степени ртуть, свинец и медь. С другой стороны, таким элементы как селен, молибден становятся менее растворимыми в кислой среде и в силу этого в меньшей степени могут мигрировать в растения. Подобное изменение баланса способно изменять нормальное соотношение макро-- и микроэлементов в тканях животных и, следовательно, по пищевой цепочке изменять баланс в организме человека.

Подобный эффект касается не только металлов. Фосфор, который является главным нутриентом для растений в кислой среде становится менее доступным для растений, что приводит к торможению их роста и развития.

Известкование почв, которое используется в некоторых странах для борьбы с их закислением, как показывают недавние исследования, также нежелательно, так как  оказывает негативный эффект на растения и животных.

            Несмотря на описанные эффекты почва может противостоять происходящим процессам. От геохимического статуса зависит буферная емкость почвы. Если грунт содержит в достаточном количестве карбонаты, которые формируют карбонатную буферную систему, то кислая дождевая  или талая вода при фильтрации нейтрализуется. Критическая ситуация возникает только в том случае, когда кислотность почвы падает ниже 4,5. В этом случае вступает в действие другая буферная система, в результате действия которой начинают растворяться  плохо растворимые соли алюминия, что приводит к мобилизации этого компонента. Этот процесс протекает весьма быстро и, следовательно, высокие концентрации алюминия появляются в грунтовой воде. Кроме того, снижение рН приводит к увеличению подвижности других металлов, например,  наиболее подвижного элемента, имеющего, в основном, антропогенное происхождение кадмия.

Происхождение кадмия в основном антропогенное. В некоторых индустриально развитых странах количество кадмия в почве, доступного для растений повышено.

Проблема загрязнения почвы имеет свои отличия от механизмов загрязнения атмосферы и гидросферы:

· почва - малоподвижная среда;

· в ней медленнее происходит процесс миграции загрязнителей;

· в почве хорошо накапливаются ксенобиотики.

10.4. Основные источники загрязнения почвы

Практически любой вид антропогенной деятельности является источником загрязнения почвы ксенобиотиками.

I. Сельское хозяйство — удобрения, пестициды, сточные воды и твердые отбросы животноводства. Пестициды делятся на следующие основные группы:

· гербициды:

· инсектициды;

· фунгициды.

II. Промышленность, транспорт.

III. Бытовая деятельность - сточные воды, твердые бытовые отходы.

Последствиями загрязнения почвы ксенобиотиками является следующее:

· торможение процесса почвообразования;

· снижение урожайности, снижение потребительских качеств сельскохозяйственной продукции;

· торможение процессов самоочищения почвы;

· накопление ксенобиотиков и дальнейшая их миграция по трофическим цепям в продукты питания.

 

 

 

 

 

 

 

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика